基于嵌入式Linux的物联网网关设计与实现

摘要

随着通信技术和芯片技术的发展，网络覆盖率和芯片性价比不断提高，这极大的促进了物联网的发展。然而，由于缺乏统一的标准，物联网领域中各大厂商的产品在底层接口、通信协议和安全上的标准都各不相同，相互之间不能兼容，且不能适用于多种应用场景，使得大量资源消耗在相同的工作上，这严重阻碍了物联网市场的发展。本文提出了一种物联网网关，支持多种网络通信、多种感知层接口，且具有加密通信功能，在适用于不同应用场合的同时，也保证了物联网的安全性。　　本文首先介绍了物联网系统的组成及其工作原理，阐述了网关在物联网系统中连接服务器与物联网感知层的重要中转作用，提出本文设计的物联网网关的三个设计目标：多种网络通信、多种感知层接口、加密通信功能。随后重点分析了不同的处理器、通信技术和基础软件设计技术，在此基础上给出物联网网关的总体设计方案和硬件、软件上的设计框图。之后对硬件设计和软件设计进行详细介绍，其中硬件部分主要介绍了i.mx6ul处理器的各种接口、三种网络(以太网、WIFI、4G通信)相关硬件设计及物联网网关上的感知层接口的设计。软件部分包含嵌入式Linux系统运行环境准备、Web参数设置功能设计和SSL加密通信功能。其中关键之处在于多种网络的接入和使用SSL协议来实现加密通信。　　最后，对网关进行测试，包含网关参数设置功能、三种不同网络通信功能的测试、SSL加密通信功能测试和综合测试，并在测试后对测试结果进行分析，得出达到了最初的设计目标的结论，并指出了网关的几个有待完善的地方，展望物联网将来的发展。

目录

声明

第 1 章 绪 论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状

1.3 本文研究目标于研究内容

1.4 论文结构

第 2 章 物联网网关与设计方案

2.1 物联网系统原理及本文目标

2.1.1 物联网系统组成

2.1.2 物联网网关工作原理

2.1.3 本文物联网网关设计目标

2.2 物联网网关相关软、硬件技术

2.2.1 相关嵌入式微处理器

2.2.2 相关移动通信技术

2.2.3 相关物联网无线通信技术

2.2.4 相关基础软件技术介绍

2.3 本文设计方案

2.4 小结

第 3 章 物联网网关硬件平台设计

3.1 网关总体硬件设计说明

3.2 嵌入式处理器 i.mx6ul 及其最小系统

3.3 网络相关硬件设计

3.3.1 以太网接口电路设计

3.3.2 USB WIFI 电路接口设计

3.3.3 EC20 移动通信模块接口电路设计

3.4 物联网感知层接口硬件设计

3.4.1 RS-485 接口电路设计

3.4.2 RS-232 接口电路设计

3.4.3 ZigBee 接口电路设计

3.5 小结

第 4 章 物联网网关软件设计

4.1 网关总体软件设计说明

4.2 嵌入式 Linux 运行环境准备

4.2.1 启动加载器(bootloader)准备

4.2.2 根文件系统准备

4.2.3 Linux 内核准备

4.3 网关参数设置功能设计

4.3.1 基于 Boa 的 Web 服务器设计

4.3.2 基于 CGI 的登陆功能和网关参数存储功能设计

4.4 基于 SSL 协议的加密通信功能设计

4.4.1 常用加密算法和 SSL 协议介绍

4.4.2 SSL 协议实现加密通讯原理

4.4.3基于OpenSSL的加密通信设计

4.5 小结

第 5 章 物联网网关功能测试与结果分析

5.1 参数设置功能测试

5.1.1 在 Windows 系统浏览器上的功能测试测试

5.1.2 在安卓系统浏览器上的功能测试

5.2 多种通信功能测试

5.2.1 以太网通信功能测试

5.2.2 无线网络通信功能测试

5.2.3 4G 移动通信功能测试

5.2.4 SSL 加密通讯功能测试

5.3 综合测试

5.4 小结

总结与展望

参考文献

致 谢